UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA
ESCUELA DE POST GRADO
MAESTRÍA EN CIENCIAS
SECCIÓN: INGENIERÍA
MENCIÓN: INGENIERÍA Y GERENCIA DE LA CONSTRUCCIÓN
TESIS
EFECTIVIDAD DEL CURADO INTERNO DEL CONCRETO
MEDIANTE LA SATURACIÓN DEL AGREGADO GRUESO EN
COMPARACIÓN A OTROS TIPOS DE CURADO
Presentado por:
ING. LUIS MATÍAS TEJADA ARIAS
Asesor
M. en Ing. Héctor Albarino Pérez Loayza
CAJAMARCA, PERÚ
ii
COPYRIGHT © 2016 by
LUIS MATÍAS TEJADA ARIAS
UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA
ESCUELA DE POST GRADO
MAESTRÍA EN CIENCIAS
SECCIÓN: INGENIERÍA
MENCIÓN: INGENIERÍA Y GERENCIA DE LA CONSTRUCCIÓN
TESIS APROBADA:
EFECTIVIDAD DEL CURADO INTERNO DEL CONCRETO MEDIANTE LA SATURACIÓN DEL AGREGADO GRUESO EN COMPARACIÓN A OTROS TIPOS
DE CURADO
Presentado por:
ING. LUIS MATÍAS TEJADA ARIAS
Comité Científico
M. Ing. Héctor A. Pérez Loayza Asesor
Dr. Rosa A. LLique Mondragón Presidente del Comité
Dr. Miguel Mosqueira Moreno Primer Miembro Titular
Msc. Sergio Huamán Sangay Segundo Miembro Titular
Cajamarca, Perú
iv
“La ciencia puede divertirnos
y fascinarnos, pero es la ingeniería
la que cambia al mundo”
Dedico este trabajo con mucho
agradecimiento y cariño a mis padres
Toribio y Felicitas por formarme en
valores y alentarme siempre a la
superación personal y profesional.
vi
AGRADECIMIENTO
A la Escuela de Postgrado de la Universidad Nacional de Cajamarca y a sus docentes, de forma especial al Msc. Jaime Amorós Delgado, Director de la Unidad de Postgrado de Ingeniería.
Al M. en Ing. Héctor Pérez Loayza, asesor de esta tesis, quien guío la elaboración de este trabajo.
Al Comité Científico de esta tesis; Dr. Rosa LLique Mondragón, Dr. Miguel Mosqueira Moreno, Msc. Sergio Huamán Sangay y Msc. Marco Silva Silva por las sugerencias y observaciones realizadas.
A mi Padres Toribio Tejada y Felicitas Arias por el apoyo durante mis estudios de Post Grado, de forma especial a mi Padre por la ayuda en la formulación y revisión de esta Tesis.
A mis hermanos Antonio, Luis Antonio (Q.D.D.G) y Cristian por el apoyo que siempre me han brindado, de forma especial a Antonio por ser un guía en mi Carrera Profesional de Ingeniería Civil.
A Ericka Bobadilla por su compresión y el apoyo con el idioma inglés en este trabajo.
A todas las personas quienes colaboraron de diferentes formas para la elaboración de este trabajo.
INDICE GENERAL
INDICE GENERAL... vii
LISTA DE TABLAS ... xi
LISTA DE FIGURAS... xiv
LISTA DE ABREVIATURAS Y SIGLAS USADAS ... xvii
RESUMEN... xviii
CAPITULO I ... 1
INTRODUCCIÓN ... 1
1.1. Planteamiento del problema ... 1
1.1.1.Contextualización. ... 1
1.1.2.Descripción del problema. ... 4
1.1.3. Formulación del problema... 5
1.2. Justificación de la investigación ... 6
1.2.1.Justificación científica. ... 6
1.2.2. Justificación técnica – práctica. ... 6
1.2.3.Justificación institucional y personal. ... 7
1.3. Delimitación de la investigación ... 8
1.4. Limitaciones de la investigación ... 9
1.5. Objetivos ... 10
1.5.1.Objetivo general. ... 10
1.5.2. Objetivos específicos. ... 10
CAPITULO II ... 11
MARCO TEÓRICO ... 11
2.1. Antecedentes de la investigación... 11
2.1.1Antecedentes de estudios de la importancia del curado del concreto. ... 11
2.1.2Antecedentes de estudios de la importancia de la hidratación del cemento. ... 11
2.1.3Primeros estudios sobre el curado interno del concreto mediante el uso de agregados ligeros. ... 12
2.1.4 Estudios de curado interno mediante saturación de agregado ligero, polímeros súper absorbentes, arcillas expandidas en los últimos años. ... 13
viii
2.3. Marco conceptual ... 17
2.3.1. El concreto y sus componentes. ... 17
2.3.2.Porosidad de la pasta (RIVVA, 2004 págs. 8,9,10) ... 18
2.3.3.Funciones del agregado ... 20
2.3.4. Interrelación agregado-concreto ... 20
2.3.5. La Hidratación del cemento Portland. ... 21
2.3.6.Velocidad de Secado del Concreto (desecación del concreto) ... 24
2.3.7. Resistencia a compresión (Kosmatka, y otros, 2004) ... 26
2.3.8.Durabilidad del concreto ... 27
2.3.9.Cambios de volumen en el concreto. ... 28
2.3.10. Curado del concreto. ... 37
2.3.11. Curado interno del concreto. ... 38
2.3.12. Diferencia del curado interno del concreto mediante la saturación de agregado grueso con otros tipos de curados. ... 42
2.3.13. Corrección de los valores de diseño por humedad del agregado. ... 47
2.4. Definición de términos básicos ... 48
CAPÍTULO III ... 52
PLANTEAMIENTO DE LAS HIPÓTESIS ... 52
3.1. Hipótesis ... 52
3.1.1 Hipótesis general. ... 52
3.1.2 Hipótesis específicas. ... 52
3.2. Variables de estudio ... 53
3.3. Operacionalización y categorización de los componentes de las hipótesis .. 54
3.3.1. Definición conceptual de variables dependientes de estudio. ... 54
3.3.2.Definición Operacional de variables dependientes de estudio. ... 55
CAPÍTULO IV ... 57
MARCO METODOLÓGICO... 57
4.1. Ubicación geográfica ... 57
4.2. Diseño de la investigación ... 57
4.2.1. Tipo de Investigación ... 57
4.2.2.Etapas de la investigación ... 58
4.2.3.Estrategias, actividades y procedimientos para la obtención de datos. ... 61
4.2.4. Criterios de selección de las unidades de análisis y observación ... 61
4.4. Técnicas e instrumentos de recopilación de información ... 66
4.5. Equipos, materiales e insumos ... 67
4.5.1.Cantera de material para producción de agregado ... 67
4.5.2.El cemento utilizado. ... 67
4.5.3. Agua potable de la Ciudad Universitaria de la UNC ... 68
3.6. Procesos y toma de datos durante la investigación. ... 68
3.6.1.Obtención de propiedades de agregados para el estudio. ... 68
3.6.2. Procedimiento de diseño de mezclas ... 71
3.6.3.Diseño de mezclas usando el método del Módulo de Finura de la Combinación de Agregados ... 72
3.6.4. Elaboración de mezcla de prueba... 73
3.6.5. Elaboración de Unidades de estudio ... 73
3.6.6.Curado de los especímenes cilíndricos de concreto. ... 74
3.6.7.El Asentamiento en el concreto en estado no endurecido. ... 74
3.6.8. El peso unitario de los especímenes cilíndricos de concreto. ... 74
3.6.9.La resistencia a compresión en especímenes cilíndricos de concreto. ... 74
3.7. Técnicas de procesamiento y análisis de información. ... 74
3.7.1. Análisis estadístico de los resultados. ... 75
3.7.2.Análisis estadístico de varianza y Prueba de Rango Múltiple de Tukey. ... 75
CAPÍTULO V ... 79
RESULTADOS Y DISCUSIÓN ... 79
5.1. Presentación de y Análisis estadístico de resultados ... 79
5.1.1. Resultados y análisis estadístico de porcentajes de humedad de los especímenes cilíndricos de concreto ensayados a resistencia a la compresión a edad de 7 días. ... 79
5.1.2. Resultados y análisis estadístico de porcentajes de humedad de los especímenes cilíndricos de concreto ensayados a resistencia a la compresión a edad de 28 días. ... 83
5.1.3. Resultados y análisis estadístico de porcentajes de humedad de los especímenes cilíndricos de concreto ensayados a resistencia a la compresión a edad de 90 días. ... 87
5.1.4. Resultados y análisis estadístico de resistencias a compresión de especímenes cilíndricos de concreto a la edad de 7 días. ... 91
5.1.5. Resultados y análisis estadístico de resistencias a compresión de especímenes cilíndricos de concreto a edad de 28 días. ... 94
x
5.2. Interpretación y discusión de resultados. ... 102
5.2.1. Análisis, interpretación y discusión de resultados de retención de humedad en el concreto según el tipo de tratamiento de curado. ... 102
5.2.2. Análisis, interpretación y discusión de resultados de desarrollo de la resistencia a la compresión del concreto según el tipo de tratamiento de curado... 105
5.2.3. Análisis, interpretación y discusión de resultados de comparación de la resistencia a la compresión con el porcentaje de humedad según tratamiento. 110 5.2.6. Análisis, interpretación y discusión de resultados de comparación del desarrollo de la resistencia a la compresión y desecación del concreto según tratamientos de estudio. ... 113
5.3. Contrastación de hipótesis ... 115
CAPÍTULO VI ... 116
6.1. Características de la propuesta. ... 116
6.2. Beneficios que aportará la propuesta ... 117
CONCLUSIONES ... 118
RECOMENDACIONES ... 120
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFIAS ... 122
APÉNDICE I: CALCULOS Y RESULTADOS DE LOS ANÁLISIS FÍSICOS DE LOS AGREGADOS ... 125
I. ANÁLISIS GRANULOMÉTRICOS DE LOS AGREGADOS ... 125
II. CÁLCULOS Y RESULTADOS DE LOS ENSAYOS DE PESO ESPECÍFICO, Y ABSORCIÓN DE LOS AGREGADOS ... 128
III. CÁLCULOS Y RESULTADOS DE LOS ENSAYOS DE HUMEDAD DE LOS AGREGADOS ... 129
IV.CÁLCULOS Y RESULTADOS DE LOS ENSAYOS DE CANTIDAD DE MATERIAL QUE PASA LA MALLA N° 200 DE LOS AGREGADOS ... 130
V. RESULTADOS DE ENSAYO DE ABRASIÓN DEL AGREGADO GRUESO ... 131
APÉNDICE II DISEÑO DE MEZCLAS DE CONCRETO USANDO EL MÉTODO DEL MÓDULO DE FINURA DE LA COMBINACIÓN DE AGREGADOS ... 132
APÉNDICE III CÁLCULOS Y RESULTADOS DE LOS ENSAYOS DE PESO UNITARIO DEL CONCRETO FRESCO ... 138
APÉNDICE IV: FOTOGRAFÍAS ... 140
ANEXO I FICHA TÉCNICA DEL CEMENTO PORTLAND TIPO I EMPLEADO ... 146
ANEXO II DATOS HISTÓRICOS DEL CLIMA DE LA ESTACIÓN METEREOLÓGICA AGUSTO WEBERBAUER. ... 147
LISTA DE TABLAS
Tabla N°1: Tabla de operacionalización y categorización de los componentes de las hipótesis ... 56 Tabla N°2: Unidades de estudio – Especímenes cilíndricos de concreto para ensayo a resistencia a compresión ... 66 Tabla N°3: Estándares para control del concreto (ACI 214-77) ... 76 Tabla N°4: Matriz de consistencia metodológica ... 77 Tabla N°5: Porcentajes de humedad de los especímenes cilíndricos de concreto ensayados a resistencia a la compresión a edades de 7 días del tratamiento de curado por rociado de agua. ... 79 Tabla N°6: Porcentajes de humedad de los especímenes cilíndricos de concreto
ensayados a resistencia a la compresión a edades de 7 días del tratamiento de curado con rociado de líquido formador de membrana ... 79 Tabla N°7: Porcentajes de humedad de los especímenes cilíndricos de concreto ensayados a resistencia a la compresión a edades de 7 días del tratamiento de curado sumergido en agua ... 80 Tabla N°8: Porcentajes de humedad de los especímenes cilíndricos de concreto
ensayados a resistencia a la compresión a edades de 7 días del tratamiento de curado interno (mediante la saturación del agregado grueso). ... 80 Tabla N°9: Análisis de la varianza de los porcentajes de humedad de los especímenes cilíndricos de concreto ensayados a resistencia a la compresión a edad de 7 días, según los tratamientos ... 80 Tabla N°10: Medias de los porcentajes de humedad de los especímenes cilíndricos de
concreto ensayados a resistencia a la compresión a edad de 7 días, según los tratamientos ... 81 Tabla N°11: Agrupación de información de porcentajes de humedad de los especímenes cilíndricos de concreto ensayados a resistencia a la compresión a edad de 7 días, según los tratamientos utilizando el método de Tukey y una confianza de 95% ... 81 Tabla N°12: Porcentajes de humedad de los especímenes cilíndricos de concreto ensayados a resistencia a la compresión a edades de 28 días del tratamiento de curado por rociado de agua. ... 83 Tabla N°13: Porcentajes de humedad de los especímenes cilíndricos de concreto
ensayados a resistencia a la compresión a edades de 28 días del tratamiento de curado con rociado de líquido formador de membrana ... 83 Tabla N°14: Porcentajes de humedad de los especímenes cilíndricos de concreto ensayados a resistencia a la compresión a edades de 28 días del tratamiento de curado sumergido en agua ... 83 Tabla N°15: Porcentajes de humedad de los especímenes cilíndricos de concreto
xii
Tabla N°17: Medias de los porcentajes de humedad de los especímenes cilíndricos de concreto ensayados a resistencia a la compresión a edad de 28 días, según los tratamientos ... 85 Tabla N°18: Agrupación de información de porcentajes de humedad de los
especímenes cilíndricos de concreto ensayados a resistencia a la compresión a edad de 28 días, según los tratamientos utilizando el método de Tukey y una confianza de 95% ... 85 Tabla N°19: Porcentajes de humedad de los especímenes cilíndricos de concreto ensayados a resistencia a la compresión a edades de 90 días del tratamiento de curado por rociado de agua. ... 87 Tabla N°20: Porcentajes de humedad de los especímenes cilíndricos de concreto
ensayados a resistencia a la compresión a edades de 90 días del tratamiento de curado con rociado de líquido formador de membrana ... 87 Tabla N°21: Porcentajes de humedad de los especímenes cilíndricos de concreto ensayados a resistencia a la compresión a edades de 90 días del tratamiento de curado sumergido en agua ... 87 Tabla N°22: Porcentajes de humedad de los especímenes cilíndricos de concreto
ensayados a resistencia a la compresión a edades de 90 días del tratamiento de curado interno ... 88 Tabla N°23: Análisis de la varianza de los porcentajes de humedad de los especímenes cilíndricos de concreto ensayados a resistencia a la compresión a edad de 90 días, según los tratamientos ... 88 Tabla N°24: Medias de los porcentajes de humedad de los especímenes cilíndricos de
concreto ensayados a resistencia a la compresión a edad de 90 días, según los tratamientos ... 89 Tabla N°25: Agrupación de información de porcentajes de humedad de los especímenes cilíndricos de concreto ensayados a resistencia a la compresión a edad de 90 días, según los tratamientos utilizando el método de Tukey y una confianza de 95% ... 89 Tabla N°26: Resistencia a compresión de especímenes cilíndricos de concreto a las edades de 7 días del tratamiento de curado por rociado de agua... 91 Tabla N°27: Resistencia a compresión de especímenes cilíndricos de concreto a las
edades de 7 días del tratamiento de curado con rociado de líquido formador de membrana ... 91 Tabla N°28: Resistencia a compresión de especímenes cilíndricos de concreto a las
edades de 7 días del tratamiento de curado sumergido en agua ... 91 Tabla N°29: Resistencia a compresión de especímenes cilíndricos de concreto a las edades de 7 días del tratamiento de curado interno ... 92 Tabla N°30: Análisis de la varianza de resistencia a compresión de especímenes
cilíndricos de concreto a las edades de 7 días, según los tratamientos .. 92 Tabla N°31: Medias de resistencia a compresión de especímenes cilíndricos de concreto a las edades de 7 días, según los tratamientos ... 92 Tabla N°32: Agrupación de información de resistencia a compresión de especímenes cilíndricos de concreto a las edades de 7 días, según los tratamientos utilizando el método de Tukey y una confianza de 95% ... 93 Tabla N°33: Resistencia a compresión de especímenes cilíndricos de concreto a las
Tabla N°34: Resistencia a compresión de especímenes cilíndricos de concreto a las edades de 28 días del tratamiento de curado con rociado de líquido formador de membrana ... 95 Tabla N°35: Resistencia a compresión de especímenes cilíndricos de concreto a las
edades de 28 días del tratamiento de curado sumergido en agua ... 95 Tabla N°36: Resistencia a compresión de especímenes cilíndricos de concreto a las edades de 28 días del tratamiento de curado interno ... 95 Tabla N°37: Análisis de la varianza de resistencia a compresión de especímenes cilíndricos de concreto a las edades de 28 días, según los tratamientos 96 Tabla N°38: Medias de resistencia a compresión de especímenes cilíndricos de
concreto a las edades de 28 días, según los tratamientos ... 96 Tabla N°39: Agrupación de información de resistencia a compresión de especímenes
cilíndricos de concreto a las edades de 28 días, según los tratamientos utilizando el método de Tukey y una confianza de 95% ... 96 Tabla N°40: Resultados de resistencia a compresión de especímenes cilíndricos de
edades de 90 días del tratamiento de curado sumergido en agua ... 99 Tabla N°43: Resistencia a compresión de especímenes cilíndricos de concreto a las
edades de 90 días del tratamiento de curado interno ... 99 Tabla N°44: Análisis de la varianza de resistencia a compresión de especímenes cilíndricos de concreto a las edades de 90 días, según los tratamientos 99 Tabla N°45: Medias de resistencia a compresión de especímenes cilíndricos de concreto a las edades de 90 días, según los tratamientos ... 100 Tabla N°46: Agrupación de información de resistencia a compresión de especímenes cilíndricos de concreto a las edades de 90 días, según los tratamientos utilizando el método de Tukey y una confianza de 95% ... 100 Tabla N°47: Diferencia de las medias de humedad de la propuesta de curado interno
con los tratamientos de curado estudiados a edades de 7, 28 y 90 días. ... 104 Tabla N°48: Estimación de resistencia a la compresión a los 360 días según CEB-FIP
xiv
LISTA DE FIGURAS
Figura N°1: Despacho nacional de Cemento (ASOCEM, 2015) ... 1 Figura N°2: Efecto del tiempo de curado húmedo sobre el desarrollo de la resistencia del concreto (Gonnerman, y otros, 1982) (Kosmatka, y otros, 2004) ... 2 Figura N°3: Efectos de la adición de agregados cerámicos porosos en el desarrollo de
la resistencia a la compresión de concretos de alta resistencia (SUZUKI y SEDDIK 2009) ... 14 Figura N°4: Resistencia a la compresión para concretos con curado interno en función de su edad (Zhoutovsky, y otros, 2012) ... 15 Figura N°5: Análisis del desarrollo de la hidratación (α) de una pasta de cemento
expuesta a un sistema cerrado según Powers y colaboradores. ... 22 Figura N°6: Análisis del desarrollo de la hidratación (α) de una pasta de cemento
expuesta a un sistema abierto según Powers y colaboradores ... 23 Figura N° 7 Distribución de la humedad relativa, retracción (contracción, encogimiento) por secado (desecación) y pérdida de masa de cilindros de 150 x 300-mm (6 x 12- pulg.) sometidos a curado húmedo por 7 días y posteriormente al secado al aire del laboratorio a 23°C (73°F). (Hanson, 1968)... 25 Figura N°8: Desarrollo de la resistencia a compresión de varios concretos, expresado como porcentaje de la resistencia a los 28 días (Lange, 1994) ... 26 Figura N°9: Vigas de concreto después de muchos años de exposición a un suelo con alta concentración de sulfatos en Sacramento, California, terreno de ensayo. Las vigas en mejores condiciones tienen bajas relaciones agua-materiales cementantes y muchas de ellas tienen cemento resistente a sulfatos. La foto menor, a la derecha en la parte superior, enseña dos vigas inclinadas sobre sus laterales para mostrar niveles decrecientes de deterioro con la profundidad y el nivel de humedad. (Kosmatka, y otros, 2004)... 28 Figura N°10: Cambios de volumen por contracción química y contracción autógena de
pasta fresca y endurecida (sin escala) (Kosmatka, y otros, 2004) ... 30 Figura N°11: Relación entre contracción autógena y contracción química de la pasta a edades tempranas según Hammer citado por Kosmatka (Kosmatka, y otros, 2004) ... 31 Figura N°12: Relación volumétrica entre hundimiento (asentamiento), agua de
sangrado, contracción química y contracción autógena. Sólo se muestra la contracción autógena despés del inicio del fraguado. Sin escala (Kosmatka, y otros, 2004) ... 31 Figura N°13: Las fisuras por contracción plástica se aparecen con rasgaduras en el concreto fresco (Kosmatka, y otros, 2004) ... 33 Figura N°14: figura esquemática de los movimientos de la humedad en el concreto. Si
Figura N° 15: Cambio de longitud de especímenes de concreto expuestos a diferentes regímenes de curado (Aïtcin 1999). ... 35 Figura N° 16: Efecto del curado inicial sobre la contracción por secado de prismas de concreto de cemento portland. El concreto con curado húmedo inicial de siete días a 4°C (40°F) tuvo menos contracción que un concreto con curado húmedo inicial a 23°C (73°F). Se obtuvieron resultados similares en concretos contiendo 25% de ceniza volante como parte del material cementante (Gebler y Klieger 1986). ... 36 Figura N°17: Concepto de curado interno, donde External curring: Curado externo, Internal curring curado interno, external wáter: agua externa, wáter penetration: penetración de agua externa, initial specimen: espécimen en el inicio, after curring, después del curado.- Robert Philleo, 1991. (Aldana, 2014)... 39 Figura N°18, Curado externo del concreto visto en sección trasversal. ... 43 Figura N°19, Inicio del curado interno mediante agregado ligero visto en sección trasversal. ... 44 Figura N°20. Curado interno mediante agregado ligero visto en sección trasversal. ... 44 Figura N°21. Inicio de la propuesta de curado interno mediante saturación de agregado grueso visto en sección trasversal. ... 45 Figura N°22. Propuesta de curado interno mediante saturación de agregado grueso visto en sección trasversal. ... 46 Figura N°23: Fotografía Satelital de la cantera Bazán ubicada en el Río Mashcón en el
Km 03+000 de la carretera Cajamarca – San Pablo. ... 67 Figura N°24: Gráficas de intervalos para agrupaciones de % de humedad por
tratamiento a los 7 días de edad... 81 Figura N°25: Gráficas de valores individuales y cajas de % de humedad por tratamiento a los 7 días de edad... 82 Figura N°26: Gráficas de intervalos para agrupaciones de % de humedad por
tratamiento a los 28 días de edad. ... 85 Figura N°27: Gráficas de valores individuales y cajas de % de humedad a los 28 días por tratamiento ... 86 Figura N°28: Gráficas de intervalos para agrupaciones de % de humedad por
tratamiento a los 90 días de edad. ... 89 Figura N°29: Gráficas de valores individuales y cajas de % de humedad a los 28 días
por tratamiento ... 90 Figura N°30: Gráficas de intervalos para agrupaciones de resistencia a la compresión a los 7 días por tratamiento... 93 Figura N°31: Gráficas de valores individuales y cajas de resistencia a la compresión a los 7 días por tratamiento... 93 Figura N°32: Gráficas de intervalos para agrupaciones de resistencia a la compresión
a los 28 días por tratamiento ... 97 Figura N°33: Gráficas de valores individuales y cajas de resistencia a la compresión por tratamiento ... 97 Figura N°34: Gráficas de intervalos para agrupaciones de resistencia a la compresión
a los 28 días por tratamiento ... 100 Figura N°35: Gráficas de valores individuales y cajas de resistencia a la compresión
xvi
Figura N°36: Gráfica de retención de humedad a edades (desecación del concreto) de 7, 28 y 90 días según el tratamiento de estudio ... 102 Figura N°37: Desarrollo de la resistencia a la compresión a edades de 7, 28, 90 días según el tratamiento de curado de estudio. ... 106 Figura N°38: Desarrollo de la resistencia a la compresión a edades de 7, 28, 90 días y
Estimación de resistencia a la compresión a los 360 días según CEB-FIP 1990, según el tratamiento de curado de estudio ... 107 Figura N°39: Relación de resistencia a la compresión y porcentaje de humedad a los 7 días ... 110 Figura N°40: Relación de resistencia a la compresión y porcentaje de humedad a los
28 días ... 111 Figura N°41: Relación de resistencia a la compresión y porcentaje de humedad a los
LISTA DE ABREVIATURAS Y SIGLAS USADAS
7d: 7 días de edad del concreto.
28d: 28 días de edad del concreto.
90d: 90 días de edad del concreto.
°C: Grados Celsius.
A/C: Relación de cantidad de agua y cantidad de cemento de una mezcla de concreto
ACI: En inglés American Concrete Institute, instituto Americano del Concreto, es una
organización de Estados Unidos de América que publica normas y recomendaciones técnicas con referencia al concreto reforzado.
ANOVA: Análisis estadístico de la varianza de un grupo de datos.
ASTM:En inglés American Section of the International Association for Testing Materials oASTM Internationales un organismo de normalización de los Estados Unidos de América.
f´c: Resistencia en compresión especificada del concreto, utilizada por el ingeniero
calculista e indicado en los planos y especificaciones de obra, se expresa comúnmente en Kg/cm2.
f´cr: Resistencia en compresión promedio requerida, utilizada para la selección de las
proporciones de los materiales que intervienen en la unidad cubica de concreto, se expresa comúnmente en Kg/cm2.
Kg/cm²: Kilogramo por centímetro cuadrado.
Kg/m³: Kilogramo por metro cúbico.
Kg: Kilogramo.
L: Litro.
Mpa: Megapascal
NTP: Norma Técnica Peruana.
xviii
RESUMEN
Este estudio se realizó en Cajamarca, Perú; en donde, en la elaboración de concreto, el curado de éste se realiza de manera superficial, comúnmente por humedecimiento o por rociado de aditivo generador de membrana; pero no, se conoce la efectividad de estos tipos de curados en el desarrollo a la resistencia a compresión. Por lo cual existe una necesidad de saber la influencia de los tipos de curado del concreto más comunes en su desarrollo de la resistencia a compresión y/o buscar nuevos métodos más efectivos de curado. Así, esta tesis tiene como objetivo: Determinar qué efectividad tiene el curado interno del concreto mediante la saturación del agregado grueso, referente a la humedad y a la resistencia a la compresión, en comparación a otros tres tipos de curado. Para lo cual, se planteó tomar como objeto de estudio cuatro tipos de curado del concreto elaborado con agregado chancado de río, para un mismo diseño de mezclas de una resistencia de f’c: 210 Kg/cm2 obteniéndose así diferentes tratamientos de concreto los cuales fueron: (a) concreto con curado con rociado de agua (b) con aditivo Membranil Vista (c) con curado sumergido en agua y compararlo con un (d) curado interno mediante la saturación de agregado grueso (tomando este último como una nueva propuesta). De estos cuatro tratamientos de concreto se estudiaron las variables de humedad en el concreto y resistencia a compresión en especímenes cilíndricos de concreto a la edad de 7, 28 y 90 días. Estos datos se recopilaron utilizando métodos cualitativos y cuantitativos para luego ser procesados y analizados mediante métodos estadísticos, concluyendo que el curado interno mediante la saturación de agregado grueso fue más efectivo en retención de humedad y aumento de resistencia a compresión del concreto a diferencia de los otros tratamientos de curado comunes estudiados.
PALABRAS CLAVE:
ABSTACT
This study was made in Cajamarca, Peru. Where, the elaboration of concrete and its curing is made in a superficial way, commonly by wetting or spraying generator additive membrane, but it is not known the effectivity of these types of curing in the development of compressive strength. Whereby, it exists a necessity of knowing the influence of the types of the most common concrete curing in their development to resistance and compression and also to search new effective curing methods. Therefore, this thesis has as objective: To determine the effectiveness of internal curing through the saturation of the coarse aggregate, referring to the humidity and resistance to the strength in comparison to other three types of curing. For that, it was proposed to take as object of study four types of concrete curing made with crushing river aggregate, for the same blending design of a resistance of f'c: 210 Kg/cm2 obtaining different treatments of concrete which were: (a) concrete curing water spray (b) with additive Membranil Vista (c) curing submerged in water and compare it with (d) internal curing by saturating coarse aggregate (taking this as a new propose). Of these four treatments of concrete it was studied; the humidity in concrete and compressive strength of cylindrical concrete specimens at the age of 7, 28 and 90 days. These data were collected using qualitative and quantitative methods for then be processed and analyzed using statistical methods, concluding that internal curing through the saturation of coarse aggregate was more effective in the retention of humidity and the increased of compression resistance in contradistinction to other common curing treatments studied.
KEYWORDS:
1
CAPITULO I
INTRODUCCIÓN
1.1. Planteamiento del problema
1.1.1. Contextualización.
El concreto es el material de construcción más usado en el mundo por su capacidad de moldearse y poder ser utilizado en formas ilimitadas en la construcción, es
Asociación de Productores de Cemento (ASOCEM), se despacharon
aproximadamente 10.707 millones de toneladas de cemento portland en el año 2015 con los cuales se produjeron aproximadamente 32 millones de metros cúbicos de concreto en todo el país. Como se expone en la figura N° 1, donde se muestra el crecimiento de despacho de cemento nacional (Kosmatka, y otros, 2004)
Figura N°1: Despacho nacional de Cemento (ASOCEM, 2015)
Para obtener un concreto que cumpla con las especificaciones para el cual va a ser utilizado, como son la resistencia a la compresión o durabilidad, es necesario que en los primeros días de edad, se encuentre en un entorno que reúna adecuadas condiciones de temperatura y humedad, que aseguren la hidratación del cemento. Los métodos utilizados para mantener estas condiciones que favorezcan esta hidratación se llama “curado”. El grado de hidratación (la cantidad de cemento hidratado) tiene influencia sobre la resistencia y la durabilidad del concreto. El concreto recién mezclado normalmente contiene más agua que la requerida para la hidratación del cemento, sin embargo, la pérdida excesiva de agua por evaporación puede disminuir la hidratación adecuada (Kosmatka, y otros, 2004). Por lo cual, evidenciamos la importancia de emplear un método de curado adecuado en el concreto.
Según Kosmatka y colaboradores, la hidratación es relativamente rápida en los primeros días después de la colocación del concreto. Por lo tanto, es importante que se retenga agua en el concreto durante este período, o sea, se debe evitar la evaporación o reducirla considerablemente. Con un curado adecuado, el concreto se vuelve más impermeable y más resistente a esfuerzos, a abrasión y a congelación-deshielo. El desarrollo de las propiedades es muy rápido en los primeros días, pero después continúa más lentamente por un periodo de tiempo indefinido. En la figura N°2 se observa el desarrollo de la resistencia a compresión de acuerdo a diferentes tipos de curados utilizados (Kosmatka, y otros, 2004).
3
En la figura N° 2, también, se observa que los concretos con curado húmedo todo el tiempo y expuesto al aire después de 28 días de curado mostraron mayor desarrollo de resistencia a compresión a diferencia de los concretos en ambiente de laboratorio y expuesto al aire después de 7 días de curado, e incluso a un año de edad estos dos últimos alcanzan resistencias aproximadas de solo la mitad del concreto curado todo el tiempo, demostrando la importancia del curado constante del concreto y de estudiar el desarrollo de la resistencia a compresión del concreto a edades mayores de los 28 días. Por lo cual, en la presente investigación se planteó estudiar la resistencia a la compresión hasta los 90 días de edad.
Según Powels (1947), cuando el curado húmedo se interrumpe, el desarrollo de la resistencia continúa por un corto período de tiempo y se paraliza después que la humedad relativa interna baja a 80%. Sin embargo, si se empieza nuevamente el curado húmedo, el desarrollo de la resistencia se reactiva, pero la resistencia potencial original tal vez no se logre. Aunque se puede lograr en el laboratorio, la restauración del concreto en la obra es difícil. Por lo tanto, la mejor opción es el curado húmedo continuo, desde el momento de la colocación hasta que el concreto haya desarrollado suficientes resistencia, impermeabilidad y durabilidad. Además Neville citado por Kosmatka concluye que en la práctica debido al viento, diferencias en temperatura y otros, siempre habrá migración de humedad desde el concreto hacia el ambiente, por lo que “curado natural” no existe (Kosmatka, y otros, 2004). Demostrándose la necesidad de realizar un curado continúo del concreto.
Cabe añadir otros problemas posibles de no aplicar un curado adecuado, como es la aparición de fisuras y grietas, tal como lo menciona Kosmatka y colaboradores al sostener que la pérdida de agua también va a causar la contracción (retracción) del concreto, creando esfuerzo de tensión (tracción). Si estas tensiones se desarrollan antes que el concreto haya logrado resistencia suficiente, la superficie va a fisurarse. Se deben proteger, por tanto, contra la evaporación todas las superficies expuestas, incluyéndose bordes y juntas (Kosmatka, y otros, 2004).
1.1.2. Descripción del problema.
En casi la totalidad de los concretos elaborados en el país se realiza un curado de manera superficial, ya sea un curado por humedecimiento superficial durante los primeros días de edad o por rociado de compuestos líquidos formadores de membrana impermeable. Sin embargo, no se conoce la efectividad de estos tipos de curado en el desarrollo a la resistencia del concreto. Existiendo dudas sobre su eficacia, ya que comúnmente se observan problemas de agrietamiento en losas o estructuras expuestas a la intemperie en las construcciones realizadas, lo cual, puede ser causa de un curado no adecuado del concreto. También se presentan ocasionalmente resistencias a compresión de muestras extraídas con diamantina de concreto en obra inferiores a las requeridas según las especificaciones técnicas, también inferiores a la resistencia a la compresión de los especímenes cilíndricos del mismo concreto curados sumergidos en agua, lo cual podría demostrar al ser las mismas mezclas de concreto, las resistencias obtenidas del concreto en servicio serían inferiores por falta de un curado óptimo en obra. (NORMA TÉCNICA PERUANA NTP 339.033 , 2009)
Así, existe una necesidad de proponer otros tipos de curado que sean más eficientes, o innovar con la combinación de un nuevo tipo de curado con otros ya conocidos que presenten mejoras en la resistencia a compresión y durabilidad del concreto. Y conocer cuan más efectivo es esta nueva propuesta de curado a diferencia de los curados más comúnmente utilizados en nuestro país.
Por lo cual, la presente investigación se realiza por la necesidad de proponer otros tipos de curado que presenten mejores resultados de resistencia a la compresión y durabilidad en el concreto, con la finalidad de mejorar las características del concreto. Estudiando así un nuevo tipo de curado, llamado curado interno, que de acuerdo con Bentz y Snyder, (1999), Philleo fue el primero en sugerir la idea de curado interno en 1991, mediante el uso de agregado liviano. Desde entonces, diversos autores han estudiado el uso de la saturación de agregado liviano como método de incorporar agua en el concreto, en todos estos estudios se ha demostrado un alto grado de efectividad en el curado interno usando agregados livianos (López, y otros, 2005).
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en la biografía estudiada se encuentra el curado interno mediante saturación de material liviano como polímeros súper absorbentes, arcillas expandidas, agregado liviano y madera. Los cuales mejoran el desarrollo de la resistencia a la compresión, durabilidad y evitan problemas de contracción por desecación del concreto, muestran una desventaja: Que limitan la resistencia a compresión última del concreto, por la baja resistencia de estos materiales absorbentes.
Para verificar si esta propuesta de curado interno del concreto mediante la saturación del agregado grueso es más efectivo que los curados usualmente utilizados, debemos determinar el efecto que tiene este tipo de curado en la retención de humedad y en la resistencia a la compresión y compararlos con otros curados ya conocidos.
1.1.3. Formulación del problema.
Pregunta general:
¿Qué efectividad1 tiene el curado interno del concreto mediante la saturación del agregado grueso, referente a la retención de humedad y aumento de la resistencia a compresión del concreto, en comparación a otros tres tipos de curado: rociado con agua, rociado de líquido formador de membrana y sumergido2 en agua?
Preguntas específicas:
a. ¿Qué efectividad tiene el curado interno del concreto mediante la saturación del agregado grueso referente a la retención humedad del concreto, a edades de 7, 28 y 90 días, en comparación a otros tres tipos de curado: rociado con agua, rociado de líquido formador de membrana y sumergido en agua?
b. ¿Qué efectividad tiene el curado interno del concreto mediante la saturación del agregado grueso referente a aumento de la resistencia a la compresión del concreto, a edades de 7, 28 y 90 días, en comparación a otros tres tipos de curado: rociado con agua, rociado de líquido formador de membrana y sumergido en agua?
1
Efectividad: Capacidad de lograr el efecto que se desea o se espera (Diccionario de la Real Academia Española, 2016, La 23.ª edición)
2
1.2. Justificación de la investigación
1.2.1. Justificación científica.
Este estudio se justifica de forma científica por lo siguiente:
a. Se brinda un aporte teórico importante, recopilando información referente a los métodos de curado del concreto, en especial forma respecto al curado interno del concreto que es un tipo de curado nuevo en la localidad de Cajamarca y el país, no encontrándose antecedentes locales de este tipo de curado. Y tampoco del curado interno mediante la saturación del agregado grueso que se estudia en esta tesis.
b. Esta tesis obtuvo resultados positivos en la efectividad del curado interno por saturación del agregado grueso. Así, podría ser la base para investigaciones futuras referentes a este tipo de curado interno propuesto, como estudiar su combinación con otros tipos de curados comunes y estudiar la influencia de esta propuesta de curado en otras propiedades del concreto, como en la durabilidad, disminución de aparición de fisuras y control de altas temperaturas del concreto en clima cálido o masivo.
1.2.2. Justificación técnica – práctica.
Este estudio se justifica de forma técnica y práctica por lo siguiente:
a. La investigación es original, ya que si bien desde 1991 se estudia el curado interno del concreto, no se encuentran investigaciones referentes a curado interno mediante la saturación del agregado grueso, ni tampoco hay investigaciones sobre el tema en el país.
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c. La investigación ha respondido a un problema común y constante al que se enfrentan los involucrados en el área de construcción, siendo común encontrar fisuración o agrietamiento en losas o estructuras expuestas a la intemperie; lo que se debe a la pérdida temprana de agua de mezcla y también resistencias a compresión del concreto menores a las requeridas, todo por falta de un curado óptimo.
d. Se puede decir que la investigación es trascendente en la sociedad; ya que los resultados obtenidos van dirigidos a la comunidad relacionada con la construcción en el país, como son los ingenieros, maestros de obra, empresas fabricadoras de concreto premezclado, Universidades e instituciones educativas técnicas con carreras afines a la construcción civil, para poder utilizar la información obtenida al aplicarse en los métodos de elaboración de concreto o realizar investigaciones referentes.
1.2.3. Justificación institucional y personal.
Este estudio se justifica de forma institucional y personal por lo siguiente:
a. La Universidad Nacional de Cajamarca (UNC) a través de su Escuela de Posgrado, está en capacidad de desarrollar investigaciones a través de sus estudiantes a fin de resolver los problemas sociales que se enmarcan en su campo de acción; siendo en este caso el estudio de la propuesta de un curado interno del concreto mediante la saturación de agregado grueso, el cual de aplicarse podría solucionar los problemas comunes por falta de un curado óptimo del concreto.
1.3. Delimitación de la investigación
Las delimitaciones de la presente investigación son las siguientes:
a. En cuanto a factibilidad, se contó con los recursos necesarios para realizar los ensayos propuestos. La elección de los materiales pétreos se realizó tomando en cuenta que deben cumplir con las recomendaciones granulométricas de las normas internacionales y nacionales, por ello, Se tomó muestra de agregados de una cantera de agregado chancado proveniente de río para elaboración de las unidades de estudio; por lo cual, los resultados de la tesis pueden aplicarse a este tipo, pero no es representativo para todos los agregados utilizados en el país, que son provenientes de diferentes canteras, de distintos tipos de rocas y con diferentes métodos de producción de agregados.
b. En cuanto a confiabilidad, técnica y metodología: los ensayos realizados para desarrollar la presente investigación se realizaron con equipos debidamente calibrados, los cuales cuentan con sus respectivos certificados de calibración. Los ensayos se realizaron siguiendo las normas técnicas NTP3, ASTM4 o recomendaciones ACI5 respectivas actualizadas al presente año 2015, siendo realizados por técnicos de concreto capacitados y supervisados por el tesista. Por lo tanto, se puede afirmar que hay confiabilidad en los resultados.
c. En cuanto a la delimitación teórica, se buscó y recopiló las investigaciones nacionales e internacionales por medio de buscadores especializados de investigaciones en idioma español e inglés.
d. En cuanto a delimitación temporal, la investigación se realizó a inicios del año 2016, por lo que la información obtenida actualizada a esta fecha de las Normas NTP, ASTM o recomendaciones ACI, pueden variar respecto a los próximos años, por estar sujetas a actualizaciones constantes. Así mismo, las características de los agregados utilizados pueden cambiar a través del tiempo.
3
NTP: Normas Técnicas Peruanas
4
ASTM (American Section of the International Association for Testing Materials) o ASTM
International es un organismo de normalización de los Estados Unidos de América.
5
ACI: American Concrete Institute, instituto Americano del Concreto, es una organización de Estados
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1.4. Limitaciones de la investigación
Las limitaciones de la presente investigación son las siguientes:
a. Por ser una investigación base, Sólo se realizaron los tratamientos de estudio de concreto con un diseño de mezclas de f’c: 210 kg/cm2 (el cual es el f’c
mayormente utilizado en estructuras de concreto) y con una relación agua/cemento según el diseño de mezclas de 0.5, pudiéndose estudiar el curado interno propuesto con diseños de mezclas de f’c: 175 kg/cm2, f’c: 280 kg/cm2 , f’c:
350 kg/cm2, o concretos especiales de mayores resistencias con relaciones agua / cemento bajas donde, según los estudios antecedentes los beneficios de este tipo de curado serían más evidentes que los otros curados comunes.
b. Se estudia solo tres tipos de curados comunes (los cuales se encuentran más comúnmente utilizados en el país), curado mediante rociado con agua, por rociado de líquido formador de membrana, este último con un solo tipo de aditivo curador
(MEMBRANIL VISTA6 de la empresa Chema), y el curado estándar de
especímenes cilíndricos de concreto mediante inmersión en agua la cual se especifica en la norma NTP 339.033, pudiéndose estudiar otros tipos de curados utilizados; así como, otros tipos de aditivos curadores.
c. Se realizaron estudios de desarrollo de esfuerzo a compresión de especímenes cilíndricos de concreto a edades de 7, 28 y 90 días, ya que, a edades mayores a 90 días el desarrollo de la resistencia a la compresión ya no es significativo, pero, estudiar a una mayor edad como a los 180 o 365 días nos brindaría una resistencia más real a edades más avanzadas del concreto.
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1.5. Objetivos
1.5.1. Objetivo general.
Determinar qué efectividad tiene el curado interno del concreto mediante la saturación del agregado grueso, referente a la humedad y a la resistencia a la compresión, en comparación a otros tres tipos de curado: rociado con agua, rociado de líquido formador de membrana y sumergido en agua
1.5.2. Objetivos específicos.
Los objetivos específicos de la investigación se formulan en los dos enunciados siguientes:
a. Determinar qué efectividad tiene el curado interno del concreto mediante la saturación del agregado grueso referente a la humedad del concreto, a edades de 7, 28 y 90 días, en comparación a otros tres tipos de curado: rociado con agua, rociado de líquido formador de membrana y sumergido en agua.
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CAPITULO II
MARCO TEÓRICO
2.1. Antecedentes de la investigación
2.1.1 Antecedentes de estudios de la importancia del curado del concreto.
Kosmatka y colaboradores (2002) concluyen que el agua de mezclado en hormigones convencionales es usualmente mayor que el agua requerida para la hidratación del cemento. Sin embargo, pérdidas de agua desde el concreto al ambiente pueden retrasar o incluso detener la hidratación. La figura N°2 del CAPITULO I, es presentada como una evidencia del efecto del suministro externo de agua de curado en la resistencia a compresión del concreto (López, y otros, 2005). Con este estudio se tiene evidencia de la importancia del curado apropiado y continuo en los primeros días de edad del concreto para poder obtener concretos sin problemas de inadecuada hidratación del cemento, como son mayor permeabilidad del concreto y cemento no hidratado dentro del concreto que producen bajas resistencias a la compresión y que afectan la durabilidad de éste.
2.1.2 Antecedentes de estudios de la importancia de la hidratación del cemento.
Weber y Reinhardt (1997) explicaron que: “A medida que la hidratación del cemento
procede, un sistema de porosidad capilar se forma en la pasta de cemento. El radio de
estos poros y la humedad relativa al interior de ellos disminuyen a medida que más
productos de hidratación se forman, llegando un cierto punto en que estos poros son
capaces de absorber agua de la fuente de almacenamiento por acción capilar. A
medida que más hidratación ocurre y los poros se hacen más finos dicha fuerza
capilar aumenta siendo capaz de succionar más agua de la fuente. Este proceso se
detiene cuando el agua de la fuente se ha agotado o cuando la totalidad del cemento
se ha hidratado o si la permeabilidad de la pasta es muy baja y no permite el
del concreto, ya que se concluye que al avanzar el proceso de hidratación del cemento, los poros capilares se hacen más pequeños y aumentan su propiedad de absorción, ya que por propiedades físicas del agua, ésta siempre va de los poros grandes a los más pequeños, favoreciendo que el agregado saturado aporte agua de curado a la pasta de cemento.
2.1.3 Primeros estudios sobre el curado interno del concreto mediante el uso de agregados ligeros.
Según Bentz en 2011, citado por Aldana: “Mientras que el curado interno ha sido inadvertidamente incluido en muchos concretos ligeros producidos dentro de los
últimos 100 años, es sólo en la primera década del siglo XXI que esta tecnología ha
sido usada intencionalmente en mezclas de concreto en la fase de dosificación,
utilizando una variedad de materiales que incluyen agregados de peso ligero pre
humedecidos, partículas súper absorbentes y fibras de madera pre humedecidas. Hoy
en día se usan mezclas curadas internamente en distintas obras a nivel mundial,
arrojando resultados satisfactorios y concretos con iguales resistencias a las de un
concreto curado normalmente, se han evidenciado menores fisuras, y así, mejores
comportamientos de la mezcla en puentes y otras estructuras de concreto masivo”
(Aldana, 2014). Se evidencia que este método de curado interno ya ha sido utilizado en otros países demostrando mejores resultados referentes a control de fisuras, desarrollo de resistencia a la compresión y durabilidad.
La primera publicación relacionada con que era probable el curado interno con agregados ligeros fue publicada por Paul Klieger en 1957, quien escribió: "Los agregados livianos absorben considerable agua durante la mezcla que aparentemente
puede transferir a la pasta durante la hidratación (Klieger, 1957)”. Luego, el reconocido tecnólogo de concretos, Robert Philleo escribió estas palabras proféticas en 1991, "la naturaleza básica del cemento portland debe ser cambiada para que la auto
desecación se reduzca, o una manera hay que encontrar para conseguir agua de
curado en el interior de los miembros estructurales de alta resistencia. Este último es
13
2.1.4 Estudios de curado interno mediante saturación de agregado ligero, polímeros súper absorbentes, arcillas expandidas en los últimos años.
Según Shohei, para que los agregados de peso ligero funcionan con éxito como un depósito de curado interno, los poros que contienen el agua deben ser más grandes que los de la pasta de cemento que los rodea, para que el agua preferentemente pase de los agregados al cemento (Shohei, y otros, 2010). Pero, en la presente investigación se estudió la propuesta de curado interno mediante la saturación de agregado grueso común, el cual aportaría agua de curado interno por estar saturado al máximo, por el principio de desarrollo de poros capilares de menor tamaño y por gravedad favorecerían a que la pasta de cemento absorba más agua que aporta el agregado saturado.
Según Shohei y colaboradores, otros estudios han demostrado que la inclusión de materiales como los residuos de tejas hechas por la quema de arcilla, incrementan considerablemente la resistencia a la compresión de mezclas de concreto cuando se reemplaza su agregado grueso en proporciones alrededor del 20% y 40%. En las figuras N°4 y 5 se presentan las gráficas de la resistencia a la compresión para las mezclas de concreto hechas con porcentajes de adición de ceniza volante y material cerámico poroso, en las que se observa que las resistencias a la compresión para mezclas con material cerámico poroso, en un porcentaje del 20% y relación a/c de 0.50, son mayores que la mezcla patrón y la mezcla con adiciones de ceniza volante tanto a los 28 días como a los 90. Mientras que la mezcla con reemplazo del 40% tiene una resistencia a la compresión mayor sólo a los 90 días (Shohei, y otros, 2010).
concretos con resistencias del orden de 42 MPa o superiores, estos resultados (para a/c de 0.30) (Aldana, 2014).
Otras investigaciones han mostrado aumentos significativos en la resistencia a la compresión de las mezclas con curado interno, como es el caso de la investigación hecha en la Universidad de Hiroshima realizado por SUZUKI y colaborador, donde se obtuvieron resistencias alrededor de un 20% superiores, comparadas con una muestra patrón como se muestra en la siguiente Figura N°3, donde se puede apreciar el incremento que se obtuvo para la resistencia a la compresión de un concreto de alto rendimiento a 28 días, con una relación a/c de 0.15, comparada con una muestra patrón sin material cerámico. En dicho estudio se hizo reemplazo de material cerámico poroso hasta un porcentaje de 40% (PC40), el cual obtuvo una resistencia un 30% superior a la mezcla patrón (Suzuki, y otros, 2009).
Figura N°3: Efectos de la adición de agregados cerámicos porosos en el desarrollo de la resistencia a la compresión de concretos de alta resistencia (SUZUKI y SEDDIK 2009)
Por lo expuesto, varias investigaciones han demostrado que la calidad, resistencia y especificaciones del material cerámico tiene influencia significativa en las características y propiedades del concreto con dicho material. De igual manera, la cantidad de material cerámico usado en los diseños, así como sus propiedades, inciden en el comportamiento del concreto con material cerámico.
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Figura N°4: Resistencia a la compresión para concretos con curado interno en función de su edad (Zhoutovsky, y otros, 2012)
Según Aldana, Los efectos de curado interno en la resistencia a la compresión y tracción dependen de las proporciones específicas de la mezcla, las condiciones de curado y la edad de los ensayos. Mientras que las mezclas con el curado interno podrían aumentar la resistencia debido a un aumento en el grado de hidratación del cemento, al contrario, una disminución se ha podido observar como consecuencia de tener materiales mecánicamente más débiles que el agregado normal que se está reemplazando. En la práctica, tanto aumentos y disminuciones en la resistencia se han observado debido a la inclusión de estos materiales cerámicos (Aldana, 2014).
2.2. Marco doctrinal de las teorías particulares en el campo de la ciencia en la
que se ubica el objeto de estudio.
Según el estudio de Aldana titulado: “Uso de material cerámico como material para curado interno en mezclas de concreto” concluye que: “desde el punto de vista de la resistencia a la compresión, el curado interno realizado a través del uso de material
cerámico resulta útil para mezclas de concreto de alta resistencia, que ayudaría a
obtener resistencias superiores a las de un concreto convencional cuando se
necesiten concretos con resistencias del orden de 42 MPa o superiores, estos
resultados (para a/c de 0.30)…” (Aldana, 2014 pág. 70).
concluyen que: “Los polímeros súper absorbentes pueden aplicarse de forma eficaz a
los hormigones de cemento en condiciones de curado adversas, ya que mantienen las
propiedades mecánicas de éstos liberando agua en función de las necesidades. Este
resultado debiera alentar más estudios” (Esteves, y otros, 2009 pág. 72).
Según el estudio de Martinez titulado: “Concreto liviano estructural con arcilla expandida térmicamente extraída de canteras localizadas en el Sur de la Sabana de Bogotá” se concluye que: “Se comprobó que los agregados absorbentes y porosos, producen concretos livianos con moderada capacidad estructural, debido a la baja
resistencia propia que estos áridos presentan. Igualmente, se verificó que la
resistencia del agregado influye notablemente en la resistencia del concreto resultante
y en general en todas las propiedades del concreto” (Martinez, 2010 pág. 159).
En la investigación de Solis y colaboradores titulada: “Resistencia de concreto con agregado de alta absorción y baja relación a/c”; se concluye que: “La resistencia del concreto depende de la calidad de la pasta de cemento y de las características de los
agregados pétreos. La primera es controlada por la relación agua - cemento, mientras
que las propiedades de los agregados generalmente no pueden ser manipuladas ya
que se suele utilizar aquellos que están disponibles cerca de la construcción. En
muchas regiones rocas con propiedades no deseables son utilizadas como agregado.
Por lo tanto, el objetivo de este trabajo fue responder a la pregunta sobre cuál sería la
máxima resistencia de diseño que se podría utilizar para concretos fabricados con un
tipo específico de agregados obtenidos a partir de la trituración de roca caliza de alta
absorción. Se probaron concretos con seis relaciones agua - cemento y dos tamaños
de agregado grueso. Se concluyó que con los agregados estudiados es posible
fabricar concretos de hasta 500 Kg/cm2.” También se concluye que: “A pesar de que
este agregado calizo puede ser considerado deficiente por su alta absorción, se ha
encontrado que la interacción química de las partículas de roca con la pasta de
cemento puede conducir a un incremento en la fuerza de la adherencia entre éstas y
los productos hidratados de cemento. A edades tempranas, la hidratación del cemento
produce una gran cantidad de poros, lo que provoca una fuerza de adherencia débil;
pero a mayor edad se ha observado que estos poros suelen llenarse con productos de
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2.3. Marco conceptual
2.3.1. El concreto y sus componentes.
El concreto es un producto artificial que está compuesto de (a) un medio ligante denominado pasta, y (b) de un medio ligado denominado “agregado” el cual se encuentran embebido dentro de la pasta, La pasta es el resultado de la combinación química del material cementante con el agua. Es la fase continua del concreto dado que siempre está unida con algo de ella misma a través de todo el conjunto de éste (Rivva, 2004 pág. 8).
La pasta de concreto, según RIVVA, (2004 págs. 8, 9,10) es aquella parte del concreto endurecido conocida como pasta comprende a cuatro elementos fundamentales: (a) El gel, nombre con el que se denomina al producto resultante de la reacción química e hidratación7 del cemento, (b) Los poros incluidos en ella, (c) El cemento no hidratado, si lo hay, (d) Los cristales de hidróxido de calcio, o cal libre, que puedan haberse formado durante la hidratación del cemento. Estos cuatro elementos tienen un papel fundamental en el comportamiento del concreto.
De otro lado, la pasta tiene cuatro grandes funciones en el concreto que son: (a) Contribuir a dar las propiedades requeridas al producto endurecido , (b) Separar las partículas de agregado, (c) Llenar los vacíos entre las partículas de agregado y adherirse fuertemente a ellas, (d) Proporcionar lubricación a la masa cuando ésta aún no ha endurecido.
Las propiedades de la pasta dependen de: (a) Las propiedades físicas y químicas del cemento, (b) Las proporciones relativas de cemento y agua en la mezcla, (c) El grado de hidratación del cemento, dado por la efectividad de la combinación química entre éste y el agua; siendo el grado de hidratación del concreto el factor más importante en esta investigación. Siendo mejores las propiedades del concreto y menor su porosidad cuanto más baja es la relación agua/cemento de una mezcla trabajable y cuanto mayor es el grado de hidratación del cemento. Dependiendo el grado de hidratación del cemento de la reacción química entre éste y el agua, todas
7Se define como hidratación al proceso de reacción química del cemento en presencia del agua. La
aquellas condiciones que favorezcan la hidratación tienen importancia en la influencia de la pasta en el concreto. Por lo cual, acá yace la importancia de la retención de agua por el curado. Cabe decir que lo que se busca con la propuesta de curado interno del concreto mediante la saturación de agregado grueso es aumentar de marera uniforme el grado de hidratación del cemento.
2.3.2. Porosidad de la pasta (RIVVA, 2004 págs. 8,9,10)
Existen en la pasta cantidades variables de espacios vacíos, denominados poros, los cuales no contienen materia sólida aunque, bajo determinadas circunstancias, algunos de ellos podrían estar parcial o totalmente llenos de agua. Los poros presentes en la pasta se clasifican en cuatro categorías definidas por el origen, tamaño promedio, o ubicación de ellos (poros por aire atrapado, por aire incorporado, capilares y poros gel) sin haber una línea clara de demarcación que separe un rango de otro. Los poros de estas cuatro categorías son:
a. Poros por aire atrapado.
Durante el proceso de mezclado una pequeña cantidad de aire, aproximadamente del 1%, es aportada por los materiales y queda atrapado en la masa de concreto, no siendo eliminada por los procesos de mezclado, colocación o compactación. Los espacios que este aire forma en la masa de concreto se conocen como poros por aire atrapado. Son parte inevitable de toda pasta. Estos poros varían en tamaño desde aquellos que no son perceptibles a simple vista hasta aquellos de un centímetro o más de diámetro. Su perfil puede ser irregular y no necesariamente están interconectados. La presencia de los poros de aire atrapado es inevitable pero el inconveniente dado es que contribuyen a la disminución de la resistencia y durabilidad del concreto, pudiendo adicionalmente incrementar la permeabilidad.
b. Poros capilares.
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quedando los espacios residuales en la condición de poros capilares.
Los poros capilares no pueden ser apreciados a simple vista, varían en perfil y forman un sistema, en muchos casos interconectado, distribuido al azar a través de la pasta. En la pasta en proceso de formación los espacios llenos de agua son continuos. Conforme progresa la hidratación los capilares son separados por el gel al comenzar a ocupar éste los espacios originalmente llenos de agua, pudiéndose llegar a un sistema parcialmente discontinuo, el cual definitivamente se presenta en relaciones agua/cemento bajas. En la práctica nunca se llega a un sistema totalmente discontinuo aún en relaciones agua/cemento tan bajas como 0.45
La importancia de los poros capilares radica en que, conforme aumenta su número:
Disminuyen las resistencias mecánicas de la pasta endurecida.
Aumentan la porosidad, permeabilidad y capacidad de absorción de la pasta.
Aumenta la vulnerabilidad de la pasta al ataque por acción de las bajas temperaturas sobre el concreto.
Este último punto es de gran importancia dado que los poros capilares son los principales responsables de la vulnerabilidad de la pasta al ataque de las heladas debido a que están en capacidad de contener agua que puede congelarse. Esta agua al pasar al estado sólido debido a las bajas temperaturas incrementa su volumen en un 9%, originando esfuerzos de tensión que el concreto no está en capacidad de soportar, aumentando con ello la capacidad de deterioro del mismo.
c. Poros gel.
que no hay espacio suficiente para que se pueda producir la nuclearización del hielo. Las partículas que conforman el gel son cuatro o cinco veces mayores que los poros gel.
2.3.3. Funciones del agregado
Las tres principales funciones del agregado en el concreto son (Rivva, 2004 pp. 17,18):
a. Proporcionar un relleno adecuado a la pasta, reduciendo el contenido de ésta por unidad de volumen y, por lo tanto, reduciendo el costo de la unidad cúbica de concreto.
b. Proporcionar una masa de partículas capaz de resistir las acciones mecánicas, de desgaste, o de intemperismo, que puedan actuar sobre el concreto.
c. Reducir los cambios de volumen resultantes de los procesos de fraguado y endurecimiento; de humedecimiento y secado; o de calentamiento de la pasta.
2.3.4. Interrelación agregado-concreto
Las propiedades del concreto resultantes del empleo de un agregado determinado dependen de (Rivva, 2004 pp. 17,18):
a. La composición mineral de las partículas de agregado, la cual influye fundamentalmente sobre la resistencia, durabilidad y elasticidad del concreto.
b. Las características superficiales de las partículas, las cuales influyen especialmente sobre la trabajabilidad, fluidez y consistencia del concreto; así como sobre la adherencia entre la pasta y el agregado.
c. La granulometría de los agregados fino y grueso, definida por sí misma, así como por la superficie específica, módulo de fineza, y tamaño máximo del agregado grueso. Estas propiedades influyen fundamentalmente sobre las propiedades del concreto al estado no endurecido, sobre su densidad y sobre la economía de la mezcla.
21
e. La porosidad y absorción del agregado, las cuales influyen sobre la relación agua-cemento efectiva, así como sobre las propiedades del concreto al estado no endurecido.
2.3.5. La Hidratación del cemento Portland.
La hidratación del cemento es el principal proceso físico, químico y termodinámico en la formación del concreto, ya que éste se da cuando el agua entra en contacto con el cemento portland y forman la pasta de cemento, la cual es el medio ligante del concreto. La expresión “hidratación del cemento Portland” y “reacción de hidratación” se utilizan para describir el conjunto de procesos físico-químicos y termodinámicos que se desarrollan simultáneamente cuando el cemento Portland entra en contacto con el agua. Al progreso de este fenómeno desde que una partícula de cemento comienza a reaccionar hasta que se completa la misma y a los niveles intermedios se les denomina “grado de hidratación” (α).
La calidad de unión (adhesión, adherencia) de la pasta de cemento portland se debe a las reacciones químicas entre el cemento y el agua, conocidas como hidratación. El cemento portland no es un compuesto químico sencillo, es una mezcla de muchos compuestos. Cuatro de ellos totalizan 90% o más del peso del cemento portland, siendo los siguientes: silicato tricálcico, silicato dicálcico, aluminato tricálcico y ferroaluminato tetracálcico (alumino ferrito tetracálcico). Además de estos compuestos principales, muchos otros desempeñan un papel importante en el proceso de hidratación.
Los dos silicatos de calcio, los cuales constituyen 75% del peso del cemento portland, reaccionan con el agua para formar dos compuestos: hidróxido de calcio y silicato de calcio hidrato (hidrato de silicato de calcio). Este último es, sin duda, el más importante compuesto del concreto. Las propiedades de ingeniería del concreto fraguado y endurecimiento, resistencia y estabilidad dimensional dependen principalmente del silicato de calcio hidratado. Éste es el corazón del concreto. La composición química del silicato de calcio hidratado es un tanto variable, pero contiene cal (CaO) y dióxido de silicio (SiO2) en una proporción de 3 a 2.
